Большой адронный коллайдер

Идея проекта Большого адронного коллайдера (англ. Large Hadron Collider, LHC) родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего большого ускорителя CERN — электрон-позитронного коллайдера LEP (Large Electron-Positron Collider).

Большой адронный коллайдер, БАК, - ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Это самый большой в мире ускоритель элементарных частиц. На глубине 100 метров по кольцу диаметром 27 километров заряженные частицы (протоны) будут разгоняться почти до скорости света для того, чтобы столкнуться друг с другом. Впервые в истории, элементарные частицы удастся столкнуть друг с другом с невиданной доселе энергией – 14 тераэлектронвольт (ТэВ).

Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад.

Ученые рассчитывают исследовать результат этого столкновения. Согласно их оценкам, в результате такого столкновения образуются миллионы разных частиц, среди которых возможно будут обнаружены и частицы, существование которых в природе на данный момент является чисто гипотетическим. В тоже время, последствия столкновения частиц с такими энергиями прогнозируются теориями, которые сами нуждаются в доработках, а значит, есть вероятность того, что природа устроена “немного” иначе, чем это видится физикам и результатом такого эксперимента может стать неожиданный феномен.

Основная задача физиков состоит в том, чтобы построить замкнутую и непротиворечивую теорию, в рамках которой можно было бы объяснять и прогнозировать определенный круг природных явлений. Например, все магнитные и электрические явления в природе рассматриваются в рамках электромагнитной теории Максвелла, все стационарные тепловые процессы рассматриваются в рамках классической термодинамики и статистической физики, все процессы движения и взаимодействия элементарных частиц (электрона, протона, нейтрона, …и т.д.) и их ассоциаций (молекул, атомов, …и т.д.) в масштабах скоростей намного меньших скорости света, рассматриваются в квантовой механике (нерелятивиская квантовая механика), … и т.д. Именно на основе таких завершенных теорий современные инженеры и физики разрабатывают сложнейшие технические устройства, которые становятся неотъемлемой частью нашей жизни: сотовая связь, лазеры, телевидение, компьютеры, ядерные реакторы,… и т.д.

В тоже время есть целый ряд физических явлений для объяснения, которых пока еще не создано удовлетворительных теорий, это направления, в которых активно ведутся экспериментальные и теоретические исследования. Одним из таких направлений и является физика элементарных частиц. В настоящее время в физике элементарных частиц разрабатываются разные теоретические модели, наиболее удачной на сегодняшний день считается так называемая - Стандартная модель.

Бесспорно эта теория - одно из выдающихся достижений человеческого разума XX столетия, но она оставляет пока многие проблемы нерешенными. Почему элементарные частицы имеют массу? Почему их массы различны? Так ли, что явно различные силы природы в действительности только проявление одной силы? По-видимому, во Вселенной не осталось больше антивещества. Почему? Проблема происхождения массы - самая обескураживающая. Удивительно, что это всем хорошо известное понятие и так мало изучено. Ответ, может быть, кроется в рамках Стандартной модели, в положении, которое называется механизмом Хиггса. Согласно ему, все пространство заполнено "хиггсовскими" полями. Частицы приобретают свои массы посредством взаимодействия с этими полями. Частицы, сильно взаимодействующие с хиггсовскими полями, - тяжелые, те же, которые взаимодействуют слабо, - легкие. Хиггсовское поле ассоциируется, по крайней мере, с одной новой частицей - хиггсовским бозоном. Если эта частица существует, ее смогут обнаружить с помощью ускорителя БАК.

Ускоритель БАК явится прекрасным "зеркалом" для наблюдения антивещества, которое позволит нам подвергнуть Стандартную модель самому жесточайшему испытанию. Таким образом, существует, немало вопросов, ответы на которые могут быть найдены с помощью ускорителя БАК.

Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использовались ранее в других ускорителях ЦЕРН.

Сверхпроводимость позволяет получить такие поля, но никогда ранее не строилась такая большая "сверхпроводящая" установка. Ускоритель БАК окружностью 27 км будет работать при температуре на 300° ниже комнатной - это холоднее, чем температура открытого космоса.

Сейчас физики испытывают нехватку экспериментального материала для проверки своих теоретических моделей и чтобы этот экспериментальный материал получить, они создали БАК, а потом, будут создавать еще более мощные ускорители частиц. На основе полученных данных, физики хотят продвинуться в построении Единой теории поля. Но возникает вопрос, насколько опасными могут быть эксперименты по столкновению частиц с высокими энергиями, если учесть, что пока у физиков нет завершенных теорий, которые бы описывали процессы, происходящие при таких энергиях. Ведь в таком случае, всегда есть риск, что эксперимент выдаст что-то новое, необычное, несоответствующее теоретической модели.

Ряд ученных уже высказывают опасения по поводу возможных последствий таких экспериментов. Так, Уолтер Вагнер и Луис Санчо подали в суд для прекращения экспериментов связанных с запуском БАК, может привести в частности, к образованию микроскопических черных дыр, мощное гравитационное поле которых начнет всасывать в себя соседние частицы и таким образом, станет поглощать материю вокруг себя. Масса такой квантовой черной дыры станет расти и его усиливающееся гравитационное поле начнет всасывать в себя коллайдер, а затем Швейцарию, Европу и всю нашу планету.

И хотя возможность возникновения черных дыр в результате эксперимента ученными не отрицается, они делятся на тех, кто верит в принципы, на которых основаны теоретические модели и из которых следует, что эти черные дыры будут не устойчивыми, и распадутся прежде чем начнут что-либо всасывать, и тех, кто считает, что существующие модели могут не учитывать каких-либо еще неизвестных нам факторов (законов), а значит, вполне может быть, что они неверно прогнозируют поведение черной дыры, и она может начать вести себя неожиданно для ученых. Катастрофический сценарий развития событий имеет неравную нулю вероятность, что конечно не может не вызывать беспокойство.

Таким образом, на данный момент мы можем вывести 2 наиболее волнующих варианта развития событий связанных с экспериментами на БАК, а именно – катастрофический и оптимистический. Далее, в общих чертах опишем теоретические модели, которые пытаются проверить физики, и проанализируем указанные выше возможные сценарии развития событий.

Последствия эксперимента.

Рассматриваемые варианты являются гипотетическими поэтому читатель может с ними не согласиться и (или) предложить свои. Суть от этого не меняется, и состоит она в том, что мы, люди, обречены познавать мир, строя гипотезы (предположения) и придумывая эксперименты (опыты) для их проверки. Но природа не всегда вписывается в наши представления о ней и поэтому, мы должны быть готовы к тому, что наши ожидания могут не оправдаться.

Сценарий 1.
Оптимистический: Запуск БАК и последующих, более мощных ускорителей, приведет к новым открытиям и позволит создать экспериментальную и теоретическую базу, на основе которой в будущем цивилизация совершит качественно новый скачок в своем понимании устройства материи (Вселенной) и вытекающем из него техногенном развитии.

Сценарий 2.
Пессимистический: В результате предварительных (тестовых) запусков БАК катастрофический сценарий будет отвергнут как несостоявшийся, но поэтапный выход на запуск БАК в полную мощность приведет к тому, что зародившиеся при столкновении частиц черные дыры и (или) другие частицы (о существовании которых, возможно, физики и не подозревают) вызовут сбои в электронных системах БАК (разрушения технических модулей) и неконтролируемое поведение материи в активной зоне коллайдера. Результатом станет в лучшем случае физическое разрушение коллайдера, а в худшем - катастрофа, которая уничтожит человечество или всю планету.

Безопасна ли черная дыра?

Основная идея эксперимента состоит в том, чтобы разогнать частицы с ненулевой массой (протоны) до колоссальных скоростей (околосветные скорости) и столкнуть эти частицы друг с другом. Такие соударения ускоренных частиц позволяют моделировать сверхплотные состояния материи. Именно в таких состояниях материя находилась в первые секунды после зарождения Вселенной (Большого взрыва) и именно в таком состоянии материя находится в таких экзотических объектах, как черные дыры.

Космические черные дыры возникают во вселенной из звезд, которые, исчерпав свой термоядерный ресурс, испытывают мощное гравитационное сжатие (коллапс), что приводит к уменьшению их размеров и колоссальному уплотнению их материи. Для внешнего наблюдателя, такой объект представляет собой черное пятно (дыру) в пространстве-времени, которое втягивает в себя все окружающие объекты за счет мощного гравитационного поля. С точки зрения классической теории гравитации Эйнштейна (ОТО) масса черной дыры стремится к бесконечности, а его размеры стремятся к точке(сингулярность). Неясным остается вопрос о том, что происходит с материей в самой черной дыре. В рамках классической теории гравитации и квантовой теории этот вопрос остается открытым. Для ответа на него разрабатывается новое теоретическое направление - квантовая теория гравитации, ее предметом станут квантовогравитационные эффекты, проявляющие себя в сверхмалых масштабах материи ((масштабах порядка длины Планка 10(-35стп.)м)). Но это направление современной физики практически еще не разработано, а это значит, что мы толком не знаем законов и принципов организации физических процессов в таких масштабах материи. Все известные законы физики применимы только до плотности вещества равной плотности Планка ((Плотность Планка 10(97стп.) кг/м3)).

В микромире обычно гравитационным взаимодействием пренебрегают из за его относительной слабости. Но, при плотностях соразмерных с плотностью Планка, силы гравитации становятся колоссальными, что принципиально меняет свойства пространства-времени в таких масштабах. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать черные дыры диаметром всего лишь 10(-35стп.)м (длина Планка) и массой 10(-8стп.) кг (масса Планка). Такова самая легкая черная дыра, которая может сформироваться с точки зрения стандартной теории гравитации.

Заложенные в БАК мощности позволят столкнуть пучки протонов с энергиями порядка 7 ТэВ на 7 ТэВ, электронно-протонные пучки будут сталкиваться с энергиями до 1,5 ТэВ, а пучки тяжелых ионов (например, свинца) будут сталкиваться с общей энергией свыше 1250 ТэВ.

Считается, что столкновение частиц уже с такими энергиями может привести к образованию микроскопических черных дыр, т.е. локальных (микроскопических) областей высокой плотности вещества, возникающих за счет того, что частицы сближаются друг с другом на величину порядка длины Планка. В результате, эти частицы образуют микроскопическую черную дыру, т.к. между ними начинает действовать мощная сила гравитационного притяжения, которая превратит их в объект со сверхвысокой плотностью вещества.

Ожидается, что черные дыры будут возникать в БАК приблизительно с частотой в одну секунду. Как же будут вести себя эти экзотические объекты? Будут ли они поглощать окружающую материю? Опасны ли они?

Известный специалист по черным дырам Стивен Хокинг выдвинул гипотезу, что черные дыры неизбежно испаряются со временем. Крупные (космические) черные дыры испаряются медленно, миллиарды лет, а микроскопические испаряются быстро - за период порядка 10(-17стп.)секунды. В результате, считается, что у микроскопических черных дыр просто нет времени втянуть в себя окружающую материю. Их распад приведет к возникновению множества элементарных частиц, за счет регистрации которых и будет установлен факт их существования в коллайдере. В то же время, гипотеза Хокинга приводит к “информационному парадоксу” который видимо не разрешим в рамках классической теории гравитации и квантовой механики.

Суть этого парадокса в том, что материя, попавшая в черную дыру согласно классической теории гравитации, исчезает бесследно (теряется информация о материи), тогда как по гипотезе Хокинга получается, что информация о материи, которую поглощает черная дыра, вырывается наружу в виде ее квантового испарения. Разрешение парадокса, физики пытаются найти в теории струн, в которой они рассчитывают объединить теорию гравитации с квантовой механикой. В работах Эндрю Стромингера и Камран Вафа проблема информационного парадокса рассматривается с точки зрения гипотетического устройства черной дыры.

Данные работы позволили развить теоретические модели черных дыр на основе теории струн, что позволило лишь построить множество возможных вариантов их устройства, которые сложно проверить экспериментально. В результате, на данный момент физики имеют лишь достаточно “сырые” теоретические представления о том, что может произойти в коллайдере. Они рассчитывают на то, что смогут уточнить свои теоретические модели уже после экспериментов. Фактически, именно на основе этих “сырых” представлений физики и утверждают что микроскопические черные дыры и другие “невероятные” частицы которые могут возникнуть в БАК абсолютно безопасны. Но теория струн более чем недоработана, и хотя отдельные ее утверждения могут оказаться истинными, например, многомерность пространства, это еще не значит, что черные дыры уже сейчас могут быть полностью ею описаны, а если нет, то значит надо признать, что есть вероятность катастрофы.

Основными аргументами противников катастрофы являются:

1) Аргумент: правило Хокинга об испарении черных дыр (Микроскопическая черная дыра испарится сразу же после появления и не успеет втянуть в себя окружающую материю).

Контраргумент: данное правило для черных дыр, выведено Хокингом, чисто теоретически, в условиях практически полного отсутствия экспериментальных данных о микроскопических черных дырах, на основе теоретических моделей, которые не могут описывать процессы в масштабах Планка. Такие правила для черных дыр могут быть обоснованно выведены только в рамках кантовой теории гравитации, которая пока еще практически не разработана. Даже если правило Хокинга и окажется истинным, то совершено неизвестно, будет ли его действие ограниченно каким - либо другим законом или правилом, существование которого нам пока не известно.

2) Аргумент: Общие принципы квантовой механики. Согласно им, черная дыра обладает колоссальной массой(энергией) и в силу этого не может быть устойчивой если только нет законов которые бы запрещали ее распад. Так как таких законов неустановленно, то значит черная дыра неустойчива.

Контраргумент: микроскопическая черная дыра является объектом, относительно которого у нас нет каких - либо экспериментальных данных (в случае космических черных дыр, мы хотя бы можем обоснованно идентифицировать их во вселенной и обрабатывать данные от них), в то же время у нас нет и “хорошей” теории для такого рода объектов в рамках которой, можно было вывести законы ее образования и эволюции (например, квантовой теории гравитации). Значит, экстраполяция на новый класс объектов (черные дыры) правил и законов, установленных для качественно других объектов (элементарных частиц в диапазоне доступных энергий) позволяет в лучшем случае делать предположения относительно свойств нового класса объектов, но уж никак не утверждать, что их поведение будет идентичным “обычным” элементарным частицам.

3) Аргумент: Столкновения частиц как в БАК происходят в верхних слоях нашей атмосферы, когда космические лучи высоких энергий (протоны и более тяжелые атомные ядра с энергиями до 10(9стп.)ТэВ соударяются с атомами атмосферы. Если черные дыры могут образовываться в БАК то тогда в атмосфере земли рождается в среднем до 100 микроскопических черных дыр в год. А так как это не привело к катастрофе то значит и эксперименты в БАК безопасны.

Контраргумент: соударение частиц в БАК и в атмосфере имеет хотя бы то отличие, что БАК - это экспериментальная установка, в которой специально созданы условия для минимизации рассеяния энергии, т.е. созданы все условия, чтобы энергия разогнанных частиц была сосредоточенна именно на столкновении. В то же время, в естественных условиях на частицы таких же энергий действует множество факторов, которые рассеивают их энергии как до, так и в момент соударения. Например, атмосфера сама по себе является открытой неравновесной динамической системой. В верхних ее слоях, которые находятся в ионизированном состоянии, движение частиц чувствительно к результирующему полю создаваемому соседями (плазма). Вторжение в поле заряженной частицы вызовут нелинейные возмущения поля, а значит и частиц ионизированной среды. Такие возмущения могут “смягчать” соударения частиц в атмосфере, рассеивая (ослабляя) энергии соударяющихся частиц, т.е. перераспределяя энергии высокоэнергетичных частиц между всеми частицами среды. Соударения частиц в атмосфере по своим условия далеки от соударения их в БАК, т.к. атмосфера - это сложная открытая система, в которой существует множество факторов ослабляющих энергию частиц, а коллайдер - это установка, в которой максимально устранены все факторы, которые могут снизить энергию столкновения частиц. Поэтому, вполне возможно, что в атмосфере вообще не образуются черные дыры, даже если они будут экспериментально обнаружены в коллайдере.